Struktur Kristal

Struktur Kristal dan Nonkristal

  1. Struktur Kristal

Kristal  merupakan  susunan  atom-atom  yang  teratur  dalam  ruang  tiga  dimensi. Keteraturan susunan tersebut terjadi karena kondisi geometris yang harus memenuhi  adanya ikatan atom yang berarah dan susunan yang rapat. Walaupun tidak mudah  untuk menyatakan bagaimana atom tersusun dalam padatan, namun ada hal-hal yang  diharapkan  menjadi  faktor  penting  yang  menentukan  terbentuknya  polihedra koordinasi susunan atom-atom.

Secara ideal, susunan polihedra koordinasi paling stabil adalah yang memungkinkan  terjadinya energi per satuan volume yang minimum. Keadaan tersebut dicapai jika:

  1. kenetralan listrik terpenuhi,
  2. ikatan kovalen yang diskrit dan terarah terpenuhi,
  3. gaya tolak ion-ion menjadi minimal,
  4.  susunan atom serapat mungkin.
  1. Kisi Ruang Bravais Dan Susunan Atom Pada Kristal

Kisi  ruang  (space lattice)  adalah  susunan  titik-titik  dalam  ruang  tiga  dimensi di mana setiap titik memiliki lingkungan yang serupa. Titik dengan lingkungan yang serupa  itu  disebut  simpul kisi  (lattice points).    Simpul  kisi  dapat  disusun  hanya dalam 14 susunan yang berbeda, yang disebut kisi-kisi Bravais.

Jika atom-atom dalam kristal membentuk susunan teratur yang berulang maka atom-atom  dalam  kristal  haruslah  tersusun  dalam  salah  satu  dari  14  bentuk  kisi-kisi tersebut. Perlu dicatat bahwa setiap simpul kisi bisa ditempati oleh lebih dari satu  atom, dan atom atau kelompok atom yang menempati tiap-tiap simpul kisi haruslah identik dan memiliki orientasi sama sesuai dengan pengertian simpul kisi.

Karena kristal yang sempurna merupakan susunan atom secara teratur dalam kisi ruang,  maka  susunan  atom  tersebut  dapat  dinyatakan  secara  lengkap  dengan menyatakan  posisi  atom  dalam  suatu  kesatuan  yang  berulang.  Kesatuan  yang berulang di dalam kisi ruang itu disebut sel unit (unit cell). Jika posisi atom dalam padatan dapat dinyatakan dalam sel unit ini, maka sel unit itu merupakan sel unit struktur kristal. Rusuk dari suatu sel unit dalam struktur kristal haruslah merupakan translasi  kisi,  yaitu  vektor  yang  menghubungkan  dua  simpul  kisi.  Jika  sel  unit disusun  bersentuhan  antar  bidang  sisi,  mereka  akan  mengisi  ruangan  tanpa meninggalkan ruang kosong dan membentuk kisi ruang. Satu kisi ruang yang sama mungkin bisa dibangun dari sel unit yang berbeda; akan tetapi yang disebut sel unit dipilih yang memiliki geometri sederhana dan mengandung hanya sejumlah kecil simpul kisi. Sel unit dari 14 kisi Bravais diperlihatkan pada Gb.7.1.

Gb.7.1. Sel unit dari 14 kisi ruang Bravais.[2,5].

Jika kita pilih tiga rusuk non-paralel pada suatu sel sedemikian rupa sehingga simpul kisi  hanya  terletak  pada  sudut-sudut  sel,  sel itu  disebut  sel  sederhana  atau  sel primitif.  Pada Gb.7.1. sel primitif diberi tanda huruf P. Sel primitif hanya berisi satu simpul kisi; jika kita lakukan translasi sepanjang rusuknya, simpul kisi yang semula  ada pada sel menjadi tidak lagi berada pada sel tersebut. Sel dengan simpul kisi yang terletak pada pusat dua bidang sisi yang paralel diberi tanda C (center); sel dengan simpul kisi di pusat setiap bidang kisi diberi tanda F (face); sel dengan simpul kisi di pusat bagian dalam sel unit ditandai dengan huruf I. Huruf R menunjuk pada sel primitif rhombohedral.

Sel unit yang paling sederhana adalah kubus yang semua rusuk dan sudutnya sama yaitu,  . Ada tiga variasi pada kubus ini yaitu kubus sederhana (primitive), face centered cubic, dan body centered cubic.  Jika salah satu rusuk tidak sama dengan dua rusuk yang lain tetapi  sudut tetap sama 90o, kita dapatkan bentuk tetragonal ; ada dua variasi seperti terlihat pada gambar diatas. Jika rusuk-rusuk tidak sama tetapi sudut tetap sama 900 kita dapatkan bentuk orthorombic dengan 4 variasi.

7.3. Kristal Unsur

Dari  empat  keadaan  yang  harus  dipenuhi  untuk  terbentuknya  struktur  kristal sebagaimana disebutkan pada struktur kristal, dua keadaan telah pasti dipenuhi oleh unsur-unsur yang membentuk kristal yaitu kenetralan listrik dan gaya tolak antar ion yang  minimal.  Dua  keadaan  lagi  yang  diperlukan  adalah  pemenuhan  persyratan ikatan kovalen dan terjadinya susunan yang rapat. Kita akan melihat terlebih dahulu unsur metal dan gas mulia.

Unsur grup VIII dan Metal. Gas mulia, Ne dengan kofigurasi [He] 2s2 2p6, dan Ar [Ne] 3s2 3p6, serta r [Ar] 3d10 4s2 4p6,  memiliki  delapan  elektron  di  kulit terluarnya. Konfigurasi ini sangat mantap. Oleh karena itu mereka tidak membentuk ikatan dengan sesama atom atau dengan kata lain atom-atom ini merupakan atom bebas. Dalam membentuk padatan (membeku) atom-atom gas mulia tersusun dalam susunan yang rapat. Konfigurasi yang mantap dari gas mulia menjadi konfigurasi yang cenderung untuk dicapai oleh unsur-unsur lain dalam membentuk ikatan atom.

Selain gas mulia, atom metal juga membentuk susunan rapat dalam padatan. Hal disebabkan karena ikatan metal merupakan ikatan tak berarah. Syarat utama yang harus dipenuhi dalam  membentuk padatan adalah terjadinya susunan yang rapat. Tiga  sel  satuan  yang  paling  banyak  dijumpai  pada  metal  (dan  gas  mulia  dalam

keadaan beku) adalah FCC, HCP, dan BCC yang diperlihatkan pada gambar dibawah ini.

Unsur grup VII. Atom Cl [Ne] 3s2 3p5, Br [Ar] 4s2 4p5, J [Kr] 4d10 5s2 5p5, memuat 7 elektron di kulit terluarnya (tingkat energi terluar). Oleh karena itu pada umumnya mereka berikatan dengan hanya 1 atom dari elemen yang sama membentuk molekul diatomik  (Cl2,  Br2,  J2);  dengan  ikatan  ini  masing-masing  atom  akan  memiliki konfigurasi gas mulia, delapan elektron di kulit terluar. Molekul-molekul diatomik tersebut  berikatan  satu  dengan  yang  lain  melalui  ikatan  sekunder  yang  lemah, membentuk kristal. Karena ikatan antar molekul yang lemah ini maka titik-leleh mereka rendah.

Unsur grup VI. Atom S [Ne] 3s2 3p4, Se [Ar] 3d10 4s2 4p4, Te [Kr] 4d10 5s2 5p4, memiliki 6 elektron di kulit terluarnya. Setiap akan mengikat dua atom lain untuk memenuhi konfigurasi gas mulia dengan delapan elektron di kulit terluar masing-masing. Ikatan  semacam  ini  dapat dipenuhi  dengan  membentuk  molekul rantai  spiral  atau  cincin  di  mana  setiap atom berikatan dengan dua atom yang lain dengan  sudut  ikatan  tertentu.  Molekul rantai spiral atau cincin ini berikatan satu sama  lain  dengan  ikatan  sekunder  yang lemah  membentuk  kristal.  Contoh  ikatan telurium yang membentuk spiral diberikan pada Gb.7.3. Satu rantaian spiral ikatan Te bergabung  dengan  spiral  Te  yang  lain membentuk kristal hexagonal.

Unsur Grup V. Atom P [Ne] 3s2 3p3, As [Ar]3d10 4s2 4p3, Sb [Kr]4d10 5s2 5p3, dan Bi [Xe]4f14 5d10 6s2 6p3 memiliki 5 elektron di kulit terluarnya dan setiap atom akan berikatan dengan tiga atom  lain  dengan  sudut  ikatan  tertentu.  Atom-atom berikatan  membentuk  lapisan  bergelombang  dan lapisan-lapisan  ini  berikatan  satu  dengan  lainnya ikatan  yang  lemah.  Contoh  salah  satu  lapisan dari kristal As diperlihatkan pada Gb.7.4.

Unsur Grup IV. Pada Grup IV hanya unsur ringan yang membentuk krital dimana semua ikatan yang menyatukan kristal adalah kovalen. Ikatan ini merupakan hasil dari  orbital  hibrida  sp3  tetrahedral  yang  saling  terkait  dan membentuk  kristal  kubik  pada  C  (intan),  Si,  Ge,  Sn.  (lihat tentang hibridisasi). Sebagian dari unsusr grup ini dapat pula membentuk  struktur  dengan  ikatan  kristal  tidak  kovalen, seperti  pada  grafit.  Atom-atom  pada  grafit  terikat  secara kovalen  heksagonal  membentuk  bidang  datar  yang  terikat dengan bidang yang lain melalui ikatan yang lemah. (Gb.7.5.). Dalam  hal  ini  ikatan  kovalen  terjadi  antar  orbital  sp2 sedangkan ikatan antar bidang lebih bersifat ikatan metal. Oleh karena  itu  grafit  lebih  mudah  mengalirkan  arus  listrik  dan panas  pada  arah  sejajar  dengan  bidang  ini  dibandingkan dengan arah tegak lurus

7.1.3. Kristal Ionik

Walau  sangat  jarang  ditemui  kristal  yang  100%  ionik,  namun  beberapa  kristal memiliki ikatan ionik yang sangat dominan sehingga dapat disebut sebagai kristal ionik.  Contoh:  NaCl,  MgO,  SiO2,  LiF.  Dalam  kristal  ionik,  polihedra  anion (polihedra koordinasi) tersusun sedemikian rupa sehingga tercapai kenetralan listrik dan energi ikat per satuan volume menjadi minimum, seimbang dengan terjadinya gaya tolak antar muatan yang sejenis. Gaya tolak yang terbesar terjadi antar kation karena muatan listriknya terkonsentrasi dalam volume yang kecil; oleh karena itu polihedra  koordinasi  harus  tersusun  sedemikian  rupa  sehingga  kation  saling berjauhan. Jika polihedra koordinasi berdimensi kecil, di mana anion mengelilingi kation bermuatan  besar, maka  polihedra  haruslah  terhubung  sudut  ke sudut agar kation saling berjauhan; hubungan sisi ke sisi sulit diharapkan apalagi hubungan bidang ke bidang.

Jika bilangan koordinasi besar dan muatan kation kecil, atom-atom bisa tersusun lebih  rapat  yang  berarti  hubungan  sisi  ke  sisi  bahkan  bidang  ke  bidang  antar polihedron  koordinasi  bisa  terjadi,  tanpa  menyebabkan  jarak  antar  kation  terlalu dekat.  Kation  membentuk  polihedra  koordinasi  kation  berbentuk  oktahedron, tetrahedron tegak, ataupun tetrahedron terbalik. Pada kristal dengan karakter ionik yang sangat dominan, posisi kation yang menempati sebagian dari ruang sela yang tersedia adalah sedemikian rupa sehingga terjadi jarak antar kation rata-rata menjadi maksimal.  Pada  kristal  yang  tidak  murni  ionik,  ikatan  kovalen  atau  metal menentukan juga  posisi-posisi ion.

7.1.4. Kristal Molekul

Jika  dua  atau  lebih  atom  terikat  dengan  ikatan  primer,  baik berupa  ikatan  ion ataupun  ikatan  kovalen,  mereka  membentuk  molekul  yang  diskrit.  Dalam membentuk padatan kristal, ikatan yang terjadi antar molekul sub-unit ini berupa ikatan  yang  kurang  kuat.  Kristal  yang  terbentuk  pada  situasi  ini  adalah  kristal molekul, yang sangat berbeda dari kristal unsur dan kristal ionik.

Pada es (H2O), ikatan primernya adalah ikatan kovalen dan ikatan sekunder antar sub-unit adalah ikatan dipole yang lemah. Atom  O [He] 2s2 2p4 memiliki enam elektron di kulit terluar dan akan mengikat dua atom H 1s1. Oleh karena itu molekul air terdiri dari satu atom oksigen dengan dua ikatan kovalen yang dipenuhi oleh dua atom hidrogen dengan sudut antara dua atom hidrogen adalah 104o. Dalam bentuk kristal, atom-atom hidrogen mengikat molekul-molekul air dengan ikatan ionik atau ikatan dipole hidrogen.  Kebanyakan polimer (yang akan kita lihat lebih lanjut) yang terbentuk oleh lebih dari dua macam atom, memiliki keti-dak-teraturan yang membuat ia tidak mengkristal. Walaupun demikian ada polimer yang berpenampang simetris dan mudah mengkristal, seperti polytetrafluoroethylene (Teflon). (Gb.7.6.)

7.1.5. Ketidak-Sempurnaan Kristal

Dalam kenyataan, kristal tidaklah selalu merupakan susunan atom-atom identik yang tersusun  secara  berulang  di  seluruh  volumenya.  Kristal  biasanya  mengandung ketidak-sempurnaan, yang kebanyakan terjadi pada kisi-kisi kristalnya. Karena kisi-kisi  kristal  merupakan  suatu  konsep  geometris,  maka  ketidak-sempurnaan  kristal juga  diklasifikasikan  secara  geometris.  Kita  mengenal  ketidak sempurnaan berdimensi  nol  (ketidak-sempurnaan  titik),  ketidak-sempurnaan  berdimensi  satu (ketidak-sempurnaan  garis),  ketidak-sempurnaan  berdimensi  dua  (ketidak-sempurnaan bidang). Selain itu terjadi pula ketidak-sempurnaan volume dan juga ketidak-sempurnaan pada struktur elektronik.

Ketidak  sempurnaan  titik.  Ketidak-sempurnaan  titik  terjadi  karena  beberapa sebab, seperti ketiadaan atom matriks (yaitu atom yang seharusnya ada pada suatu  posisi  dalam  kristal  yang  sempurna),  hadirnya  atom  asing,  atau  atom matriks yang berada pada posisi yang tidak semestinya. Ketidak-sempurnaan yang umum terjadi pada kristal unsur murni adalah seperti digambarkan pada

Gb.7.9.

Kekosongan: tidak  ada atom pada tempat yang seharusnya terisi.

Interstisial:  atom dari unsur yang sama (unsur sendiri) berada di antara atom matriks  yang  seharusnya  tidak  terisi  atom,  atau  atom  asing  yang  menempati tempat tersebut (pengotoran).

Substitusi: atom asing menempati tempat yang seharusnya ditempati oleh unsur sendiri (pengotoran)

Selain ketidak-sempurnaan tersebut di atas, dalam kristal ionik terdapat ketidak-sempurnaan Frenkel dan Schotky seperti digambarkan pada Gb.7.10

Gb.7.8. Ketidak-sempurnaan titik pada kristal ionik.

Dalam kristal ionik, kation dapat meninggalkan tempat di mana seharusnya ia berada dan masuk ke tempat di antara anion; tempat kosong yang ditinggalkan dan  kation  yang  meninggalkannya  disebut  ketidak-sempurnaan  Frenkel.  Jika kekosongan kation berpasangan dengan kekosongan anion, pasangan ini disebut ketidak-sempurnaan Schottky. Ketidak-sempurnaan Schottky lebih umum terjadi dibandingkan dengan ketidak-sempurnaan Frenkel. Ketidak sempurnaan kristal juga bisa terjadi pada tingkat atom, yaitu apabila elektron dalam atom berpindah pada tingkat energi yang lebih tinggi (karena mendapat tambahan energi dari luar); ketidak-sempurnaan yang terakhir ini bukan bersifat geometris.

Dislokasi.  Kita hanya akan melihat secara geometris mengenai dislokasi ini. Dislokasi merupakan ketidak-sempurnaan kristal karena penempatan atom yang tidak  pada  tempat  yang  semestinya.  Gb.7.9.  memperlihatkan  dua  macam dislokasi.

Dislokasi tipe (a) disebut dislokasi sisi (edge dislocation) yang memperlihatkan satu bidang susunan atom yang terputus di satu sisi, yang “terselip” di antara dua  bidang  yang  lain. Dislokasi  tipe  (b)  disebut  dislokasi  puntiran  (screw dislocation).

Dislokasi dinyatakan dengan vektor Burger yang menggambarkan baik besar maupun  arah  dislokasi.  Suatu  untaian  atom  ke  atom  mengelilingi  sumbu dislokasi akan terputus oleh vektor Burger. Hal ini diperlihatkan pada Gb.7.9 namun kita tidak mempelajarinya lebih jauh.

About Fani Diamanti

a Christian | Jun's true love forever and after|a Scholar of Education | Love Physics | Love One Piece
This entry was posted in Paradise of Physics. Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s